巖石抗拉強度試驗方法探究

馬玉華

（重慶一三六地質隊，中國 重慶400037）

在當前試驗設備不斷改善的推動下，巖石力學的試驗水平得到了大幅度提升，特別是目前大量重要水電水利工程項目的建設，對基本的巖石力學指標在試驗水平上提出了更為嚴格的要求。巖石抗拉強度有電荷載估算法、彎曲試驗法、徑向壓裂法、劈裂法、離心機法、直接拉伸法等多種試驗方法，依據不同的工程技術要求應恰當選用試驗方法。因此，加強有關巖石抗拉強度試驗方法的有關研究，對于改善巖石抗拉強度的測定水平具有重要的理論與現實意義。

1 巖石抗拉強度概述

作為巖石結構設計穩定性與安全性的基本控制參數，抗拉強度也是巖石的基本力學性能指標。因巖石抗接強度與抗壓強度相差較大，所以在受載過程中，巖石通常會先出現拉伸破壞，這對地下工程建設將產生直接影響。因直接拉伸試驗需要控制一定的夾持條件，巖石的抗拉強度通常會采用間接試驗法進行測定。而劈裂法在對巖石抗拉強度的測定中應用相對廣泛。依據彈性理論，立方形或圓柱試驗在劈裂過程中的抗拉強度可通過以下公式進行求解：

其中，Pu表示試件破壞瞬間出現的荷載；D表示立方體巖樣的高度或圓柱體巖樣的直徑；t表示立方體巖樣的寬度或圓柱體巖樣的厚度。[1]

依據此公式，施加在巖樣破裂面上的應力都為均勻拉應力，而在巖樣受壓接觸位置真實的壓應力值要遠遠高于均勻拉應力值，隨后再短時間內快速降低。如圓柱體巖樣，在與圓柱巖樣中心相距4/5r的位置，應力值轉變為0，隨后轉換為拉應力，在原板中心周圍拉應力達到最高值，所以劈裂試驗中通常會在圓柱巖樣中心周圍先形成拉伸斷裂。

巖石抗拉強度的主要影響因素：作為一類復雜力學介質，巖石的強度與變形特性將直接受到巖石結構類型、礦物成分、應力狀況、溫度、含水率等因素的影響，同時巖樣尺寸、載荷增加速率等試樣方法與試驗結果也會干擾巖石抗拉強度的實際測定。

2 巖石抗拉強度試驗方法

2．1 單軸拉伸法

（1）巖樣制作：選取黑云母花崗巖作為試件，此類巖石結晶較多，質地相對堅硬，晶粒大部分呈現圓形；現場切取邊長為20cm的正方體花崗巖試樣，隨后量取試樣三個相互垂直方向的縱波速度，以中間縱波速度為方向進行鉆孔取芯，加工形成長為60mm、直徑為30mm的圓柱體巖樣，最后將其暴露于自然狀態下兩周。[2]

（2）巖樣同試驗機間采用直接粘結與伍德合金等方法進行連接：

①直接粘結：將巖樣附近相同距離處分別黏貼4個應力片，隨后將薄層expoxy粘結劑涂抹在巖樣的上下部及壓頭上，調整壓頭緩慢上升，保證巖樣與壓頭接觸良好且具有一定壓力。待粘結力滿足試驗標準后即可實施拉伸試驗，試驗過程中需控制壓頭中心與巖樣中心在同一中心線上。

②試驗前先加工連接件，連接件可使用不銹鋼進行制作，連接件同巖樣直接接觸的直徑需控制在30mm左右，長度則調整在25mm左右，為有效減小端部效應對試件的干擾，連接件一端需設置成平面，另一端則設置成螺母樣式，以方便同連接件的其他部位實施有效連接。試驗前需將4個應變片粘貼在試件附近，且應在試件兩端安置2個軸向應變計，并連接到接頭位置；隨后在壓頭處固定裝有液態伍德合金的設備；將壓頭緩慢提升，確保設備同上部連接件接觸充分，待伍德合金完全冷卻后便可開始拉伸試驗。

（2）加載方式：使用MTS材料試驗機作為主要加載設備，加載設備單軸拉伸的最高荷載為100kN，剛性則保持在2.12*109N/m，該設備可充分完成應變控制、變形控制及荷載控制等功能，試驗中主要利用設備的應變控制過程，軸向應變速率保持在5*105/s左右。

（3）試驗：試驗過程中測試的內容主要包括聲發射事件、軸向位移及荷載三方面；聲發射事件通過聲發射傳感器進行檢測，測試時傳感器需控制150kHz的共振頻率，獲取的信號利用A/D轉換板進行轉換處理；軸向位移可采用應變計檢測，用于觀察不同應變片間的值是否存在較大誤差，還可采用應變片直接測量。[3]

（4）結果：依據伍德合金連接得到的應變結果，在加載初期4個應變值便表現出一定差異，結果導致嚴重的偏心加載問題。而在直接粘結應變結果中，各應變片之間測得的應變值差異腳下，偏心加載問題也相對較小。因此在單軸拉伸試驗中，應盡量減少連接件的數量，最好將試件與壓頭直接連接，以減少偏心加載的影響。

2.2 劈裂法

（1）劈裂法是當前巖石抗拉強度測定中應用相對較多的一種方法。劈裂試驗是指將有效徑向線性荷載施加在圓柱體巖樣的直徑方向上，以促使巖樣沿直徑破壞的試驗過程。

（2）影響劈裂法試驗的主要因素：

①試件的尺寸與形狀：隨著試件尺寸的增加，其強度呈現逐漸減小的趨勢；在巖石抗拉強度劈裂法試驗中試件測試通常將圓斷面作為基礎，而相關研究表明在一對集中力條件下，圓板中心的極限應力值同正方形平面中心的極限應力值相差不大，所以在試驗中也可選用正方形巖樣。

②巖樣試驗狀況：因各項工程對巖樣試驗狀態的要求標準差異較大，加上各類工程環境條件的影響，其形成的抗拉強度也大不相同。通常，室內巖樣的試驗狀態包含飽和狀態、天然狀態與干燥狀態三種，對于結構密度較大、質地相對堅硬的巖樣，其試驗結果差別較小；而對于結構密度較小、容易破碎的巖樣，則其試驗結果差別較大。

③墊條材料與尺寸：在進行劈裂法試驗時，墊條尺寸與材料類型將直接影響著試驗結果。當前，因難以有效確定不同墊條材料及尺寸大小的優缺點，所以依據不同試驗人員在各類條件下的試驗結果表明，在軟弱或相對軟弱巖樣試驗中應選用墊條寬度與巖樣直徑比在0.08~0.1之間的膠木條作為主要墊條；而在堅硬或相對堅硬巖樣試驗中應選擇使用直徑在1mm左右的鋼絲作為主要墊條。

④巖樣受力方向：巖石抗拉強度通常具有較大的各向異性，尤其在大量沉積巖及變質巖中表現更加明顯。通常，在拉力與軟弱面相互平行時，抗拉強度會較高；當拉力與軟弱面相互垂直時，抗拉強度會較低。因巖石抗拉強度的各向異性特點，劈裂法試驗中也具有一定的方向性。[4]

（3）劈裂法試驗試件精度要求及處理要求：試驗需前先制作具有固定厚度及直徑的圓盤試件，試件加工過程中應避免產生人為裂縫；若巖石為非均質粗粒結構，或樣本尺寸與標準尺寸相差較大，則可選用非標準巖樣，但其高徑比應符合標準試樣基準；巖樣兩端面的不平整度應控制在0.05mm以下，其兩端面的平行度則應控制在0.1mm以下；巖樣加工尺寸的誤差值應控制在0.2mm以下；端面應與試樣軸線相互垂直，其最高偏差應在0.25°以下；當飽和容器內的水面一直高出試樣時，其真空壓力表的讀數應控制在100kPa左右，且應以無氣泡逸出作為基本控制標準；試樣壓入水槽時，首次注水高度應控制在試件的1/4左右，然后按照2h的時間間隔分別注水至1/2、3/4及全部，試件在水中的吸水時間應在48h左右。

3 結束語

抗拉強度的試驗水平將直接關系著巖石的整體力學性能測定及其應用，因此，相關技術與研究人員應加強有關巖石抗拉強度的試驗方法研究，總結巖石抗拉強度具體試驗技術及關鍵部位處理要求，以逐步改善巖石抗拉強度的試驗質量。

［1］徐根,陳楓,肖建清.載荷接觸條件對巖石抗拉強度的影響[J].巖石力學與工程學報,2006,06(10):61-62.

［2］喻勇,徐躍良.采用平臺巴西圓盤試樣測試巖石抗拉強度的方法[J].巖石力學與工程學報,2006,05(35):57-58.

［3］何滿潮,胡江春,熊偉,劉成禹.巖石抗拉強度特性的劈裂試驗分析[J].礦業研究與開發,2005,13(14):74-75.

［4］竇慶峰,岳順,代高飛.巖石直接拉伸試驗與劈裂試驗的對比研究[J].地下空間,2004,12(29):62-63.